銅場(chǎng)水庫(kù)進(jìn)場(chǎng)道路高陡邊坡現(xiàn)狀及處理設(shè)計(jì)

董秀斌

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

銅場(chǎng)水庫(kù)水利樞紐工程位于新疆阿克蘇地區(qū)庫(kù)車(chē)縣境內(nèi)，庫(kù)車(chē)河中游河段尾部，壩址南距庫(kù)車(chē)縣城約25 km[1]。工程防洪保護(hù)庫(kù)車(chē)縣城鎮(zhèn)及城東工業(yè)區(qū)，保護(hù)和灌溉農(nóng)田2472 hm2。位于干流出口處的銅場(chǎng)水庫(kù)工程，是庫(kù)車(chē)河的防洪控制性工程。銅場(chǎng)水庫(kù)在汛期調(diào)節(jié)洪水、儲(chǔ)蓄水源，在枯水期開(kāi)閘放水，是庫(kù)車(chē)河流域最重要的水源補(bǔ)給點(diǎn)，保障流域居民和企業(yè)的日常飲用。然而，銅場(chǎng)水庫(kù)工程區(qū)位于南天山地震帶東段，屬?gòu)?qiáng)震活動(dòng)區(qū)。壩址區(qū)曾經(jīng)受過(guò)多次強(qiáng)震的影響，大壩左壩肩壩頂巖層傾向岸里，基巖裸露，坡面局部散落有崩坡積物，結(jié)構(gòu)松散具有架空現(xiàn)象。永久進(jìn)場(chǎng)道路基本位于峽谷段內(nèi)，兩岸山體高陡，與路面高差200～250 m，水庫(kù)運(yùn)行過(guò)程中，遇降雨、大風(fēng)天氣及地震等情況引起近壩岸坡及進(jìn)場(chǎng)道路岸坡泥石流及山體局部塌方發(fā)生，造成高陡邊坡山體塌方以及永久進(jìn)場(chǎng)道路被堵塞。截至2019年1月，大壩左岸壩肩及進(jìn)場(chǎng)道路邊坡山體塌方10余次，因此，治理銅場(chǎng)水庫(kù)進(jìn)場(chǎng)道路的“高陡邊坡”已經(jīng)迫在眉睫。

1 進(jìn)場(chǎng)道路高陡邊坡現(xiàn)狀

1.1 邊坡巖石特性

進(jìn)場(chǎng)道路山體坡高約240 m，自泄洪(導(dǎo)流)洞洞口至下游壩坡腳長(zhǎng)約450 m，基巖巖性為第三系中—上新統(tǒng)(N1-2 k3)中厚層砂巖與泥質(zhì)粉細(xì)砂巖、泥巖互層，岸坡走向40°，與巖層走向斜交交角60°，傾向下游偏向岸內(nèi)，總體穩(wěn)定性較好。高程1440 m以上總體坡度70°，1440 m以下坡度40°。在邊坡高程1330 m以上的巖石，一是基巖裸露，局部基巖存在裂隙，平行岸坡的張性結(jié)構(gòu)面形成卸荷崩塌；二是局部基巖直立，砂巖的抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，粉砂質(zhì)泥巖易被風(fēng)化剝蝕，突出的砂巖形成直立岸坡或倒坡，且基巖風(fēng)化裂隙發(fā)育，節(jié)理與巖層面及邊坡組合形成菱形小塊體，易產(chǎn)生掉塊；三是左壩肩局部坡面及沖洪溝分布有呈條帶狀的崩坡積物及全風(fēng)化巖體，結(jié)構(gòu)松散具有架空現(xiàn)象，碎塊石很容易產(chǎn)生塌落，崩坡積物厚0.5～6.0 m，部分被小沖溝剝蝕，基巖裸露。

1.2 設(shè)施老化及極端天氣

銅場(chǎng)水庫(kù)樞紐于2011年主體工程完工，已經(jīng)蓄水試運(yùn)行近8年。但存在問(wèn)題，一是進(jìn)場(chǎng)道路邊坡左岸灌漿平硐、表孔泄洪洞、泄洪(導(dǎo)流)洞進(jìn)口上部高程1334～1350 m、長(zhǎng)240 m左右的大部分邊坡噴錨支護(hù)銹蝕、風(fēng)蝕、雨水侵蝕、鹽類(lèi)侵蝕破壞，部分邊坡噴錨支護(hù)被落石砸壞，已經(jīng)失去邊坡防護(hù)作用。二是進(jìn)場(chǎng)道路邊坡高陡，坡面散布崩坡積物，局部小洪溝，遇強(qiáng)降水、大風(fēng)天氣及地震情況，近壩岸坡有泥石流及山體局部塌方發(fā)生，危及左岸泄洪(導(dǎo)流)洞、表孔泄洪洞進(jìn)口、閘房防護(hù)設(shè)施的安全，造成壩頂左岸部分設(shè)施和下游壩坡不同程度的損壞以及進(jìn)場(chǎng)道路被永久堵塞。2016年8月25日銅場(chǎng)水庫(kù)庫(kù)區(qū)連續(xù)出現(xiàn)強(qiáng)降雨天氣，部分山體塌方，進(jìn)場(chǎng)道路發(fā)生山體落石，道路完全封堵，無(wú)法進(jìn)入壩區(qū)，如圖1所示。落石近150 m3，險(xiǎn)情發(fā)生以后，管理站和施工隊(duì)伍經(jīng)過(guò)兩天時(shí)間，清理完成進(jìn)場(chǎng)道路路面落石。

圖1 進(jìn)場(chǎng)道路發(fā)生山體落石，造成道路封堵(2016年8月25日降雨)

2 邊坡處理原則及等級(jí)劃分

公路右岸有較多的崩坡積物，局部有小的洪溝，寬1～2 m，右岸山體高陡，與路面高差200～250 m，受降雨、大風(fēng)天氣影響，進(jìn)場(chǎng)道路山體邊坡多次發(fā)生泥石流、落石、塌方。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，強(qiáng)降雨后路面淤積物平均厚度達(dá)0.5～1.0 m，給銅場(chǎng)水庫(kù)運(yùn)行管理帶來(lái)嚴(yán)重影響。因此，根據(jù)《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 386—2007)[2]，確定進(jìn)場(chǎng)道路高陡邊坡危害程度屬不嚴(yán)重，級(jí)別為4級(jí)。

邊坡處理的方法應(yīng)滿足以下要求：(1)考慮工程投資及后期工程運(yùn)行對(duì)進(jìn)場(chǎng)道路右岸高陡邊坡進(jìn)行安全防護(hù)處理，采取永久和臨時(shí)支護(hù)相結(jié)合的處理措施，一定程度上提高大壩運(yùn)行及管理人員的安全系數(shù)。當(dāng)遇到極端工況(如強(qiáng)降雨、大風(fēng)、地震工況)時(shí)，運(yùn)行管理人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)高陡邊坡的視頻監(jiān)控，禁止進(jìn)入場(chǎng)區(qū)巡視。(2)邊坡治理工程應(yīng)全面分析當(dāng)?shù)氐膸r土及地基地質(zhì)條件、水文及氣候因素、現(xiàn)場(chǎng)施工情況等，統(tǒng)籌邊坡治理全局，根據(jù)進(jìn)場(chǎng)道路的高陡邊坡的實(shí)際情況，采取合理的工程措施，同時(shí)把生態(tài)建設(shè)也納入工程治理中。

3 進(jìn)場(chǎng)道路邊坡處理設(shè)計(jì)分析

3.1 危巖清除

現(xiàn)狀道路邊坡堆積若干小型孤石、塊石，其穩(wěn)定性差，且具備人工清除條件，清危石方總量約為4785 m3。進(jìn)場(chǎng)道路部分段典型危石如圖2所示。

圖2 進(jìn)場(chǎng)道路部分段典型危石

3.2 主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)常用于坡面崩塌、危巖、落石、風(fēng)化剝落、溜坍、溜滑或塌落類(lèi)地質(zhì)災(zāi)害加固防護(hù)，其明顯特征是采用系統(tǒng)錨桿固定，并根據(jù)柔性網(wǎng)的不同，分別通過(guò)支撐繩和縫合張拉(鋼絲繩網(wǎng)和鋼絲格柵)或預(yù)應(yīng)力錨桿(TECCO-65格柵)來(lái)對(duì)柔性網(wǎng)部分實(shí)現(xiàn)預(yù)張[3]，從而對(duì)整個(gè)邊坡形成連續(xù)支撐，其預(yù)張拉作業(yè)使系統(tǒng)盡可能緊貼面并形成了抑制局部巖土體移動(dòng)或在發(fā)生局部位移或破壞后將其裹縛(滯留)原位附近的預(yù)應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)其主動(dòng)防護(hù)(加固)功能。

3.3 落石相關(guān)計(jì)算

落石的計(jì)算主要包括以下幾方面：一是滾落速度計(jì)算，應(yīng)按最高坡段的坡度計(jì)算最大滾落速度；二是落石的騰躍計(jì)算，應(yīng)先確定石塊運(yùn)動(dòng)軌跡，然后計(jì)算石塊運(yùn)動(dòng)軌跡與山坡面的最大偏離，從而確定攔截建筑物的高度和建筑物與山坡坡腳之間的最小距離，三是落石撞擊能量計(jì)算，由落石滾動(dòng)的運(yùn)動(dòng)能與滾動(dòng)能組成。因此，根據(jù)已知參數(shù)，假設(shè)落石體積0.5 m3，落石質(zhì)量1350 kg，崩塌落石計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 崩塌落石撞擊能量計(jì)算結(jié)果

由表1可知，危巖及危石崩落過(guò)程中，在坡面上進(jìn)行彈跳、滾動(dòng)，且由坡頂崩落于坡腳的最大速度V為18.74 m/s，最大沖擊動(dòng)能E為284.3 kN·m，落石最大騰越高度2.11 m。

3.4 被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

被動(dòng)邊坡防護(hù)網(wǎng)是一種安裝在山坡腳下的一種高強(qiáng)度抗沖擊力的鋼絲繩網(wǎng)，與傳統(tǒng)剛性結(jié)構(gòu)的防護(hù)網(wǎng)不同，被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)能夠有效吸收和分散撞擊落石的滾動(dòng)能，其柔性高，強(qiáng)度大，不易受多次沖擊而破壞。雖然被動(dòng)邊坡防護(hù)網(wǎng)能在一定程度上對(duì)落石的進(jìn)行有效攔截，但防護(hù)網(wǎng)也有可能發(fā)生局部變形或局部破壞。因此，由于本次設(shè)計(jì)項(xiàng)目現(xiàn)狀邊坡實(shí)際情況較復(fù)雜，下部土質(zhì)邊坡由崩坡積物(多含塊石，降水期間會(huì)攜帶而下)組成，上部巖體隨著時(shí)間推移還在不斷風(fēng)化，邊坡落石的不確定性因素較多，以及從邊坡現(xiàn)狀條件分析、道路運(yùn)行安全、投資等方面綜合考慮，被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)預(yù)留一定的安全儲(chǔ)備，依據(jù)國(guó)鐵科法[2019]36號(hào)要求應(yīng)根據(jù)工作區(qū)崩塌邊坡特征及防治目標(biāo)，本次統(tǒng)一選用型號(hào)為RXI-075型的被動(dòng)柔性防護(hù)網(wǎng)，其承受最大撞擊能達(dá)750 kJ。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，高陡邊坡上的巖石主要以滾落為主，到達(dá)坡腳的落石飛濺高度不超過(guò)3.0 m, 且不會(huì)出現(xiàn)較大的彈跳因此進(jìn)場(chǎng)道路選擇防護(hù)網(wǎng)的高度為3.0 m，即可承受邊坡落石的沖擊。另外，防護(hù)網(wǎng)的設(shè)計(jì)還包括對(duì)防護(hù)網(wǎng)中鋼柱、柔性錨桿、基座、連接桿、支撐繩、減壓環(huán)等的選型計(jì)算，以保證被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的強(qiáng)度和剛度不會(huì)被進(jìn)場(chǎng)道路邊坡落石所破壞。

3.5 進(jìn)場(chǎng)道路邊坡分段防護(hù)設(shè)計(jì)

進(jìn)場(chǎng)道路全長(zhǎng)3.47 km，不同路段進(jìn)場(chǎng)道路的土質(zhì)結(jié)構(gòu)、邊坡的坡度、落石的結(jié)構(gòu)分布及滾動(dòng)能大小都不一樣，不能把進(jìn)場(chǎng)道路全線都采用統(tǒng)一的邊坡防護(hù)形式，應(yīng)該結(jié)合各路段邊坡特點(diǎn)，采用不同強(qiáng)度的防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行分段布置，最大化的提高防護(hù)網(wǎng)的利用效率，保證達(dá)到最優(yōu)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果。結(jié)合銅場(chǎng)水庫(kù)進(jìn)場(chǎng)道路全線邊坡實(shí)際情況，分段設(shè)計(jì)邊坡防護(hù)處理方式，如表2所示。

表2 進(jìn)場(chǎng)道路不通路段邊坡結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)防護(hù)形式

擋土墻沿線每隔8 m需設(shè)置排水通道，通道底寬0.3 m，深1.0 m，邊坡1∶0.5。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的泥石流溝的寬度，間斷布置擋土墻，預(yù)留泥石流通道。

4 結(jié) 語(yǔ)

銅場(chǎng)水庫(kù)工程在調(diào)控流域水資源方面起到舉足輕重的作用，從根本上解決了天然來(lái)水和灌區(qū)流域用水之間的矛盾，有效地改善了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。進(jìn)場(chǎng)道路作為進(jìn)出庫(kù)車(chē)水庫(kù)的唯一道路，它的安全穩(wěn)定和暢通運(yùn)行，可保證國(guó)家重要交通路段和庫(kù)車(chē)水庫(kù)物資設(shè)備供給，也是促進(jìn)當(dāng)?shù)鼐用窠?jīng)濟(jì)發(fā)展的重要方式，同時(shí)加快了當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的脫貧進(jìn)程，符合新時(shí)代決戰(zhàn)決勝脫貧攻堅(jiān)工作的要求。